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装 备 环 境 工 程 第 20 卷 第 9 期 124 EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING 2023 年 9 月 收稿日期：2023-05-19；修订日期：2023-07-02 Received：2023-05-19；Revised：2023-07-02 基金项目：国家重点研发计划项目（2016YFC0300603）Fund：Key Research and Development Projects of China(2016YFC0300603)引文格式：谢晓忠,陈沙古,高原,等.超高压深海环境下多结构并行疲劳试验技术研究J.装备环境工程,2023,20(9):124-132.XIE Xiao-zhong,CHEN Sha-gu,GAO Yuan,et al.Parallel Fatigue Test Technology of Multiple Structures in Ultra-high Pressure Deep-sea EnvironmentJ.Equipment Environmental Engineering,2023,20(9):124-132.超高压深海环境下多结构并行疲劳 试验技术研究 谢晓忠，陈沙古，高原，黄如旭，李艳青，胡嘉骏（中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082）摘要：针对全海深载人潜水器 2 只载人舱缩比球壳模型的疲劳试验，通过理论方法对比分析了压差法与外压单独作用下球壳的应力状态，验证了超高压深海环境下内外压差法模拟球壳作业环境的可行性。同时，为降低球壳外部交变载荷对试验设备的损伤，并有效缩短试验时长，提出一种计及超高压深海环境下采用内外压差法开展的多结构并行疲劳试验技术。根据该试验技术进行了近 7 000 个循环周期的双球串联疲劳试验，有力地保证了全海深载人潜水器的研制周期。试验结果表明，该试验技术长期有效可靠，可为同类型试验提供技术依据和应用参考。关键词：超高压；多结构；并行；钛合金；球壳；疲劳试验 中图分类号：U674.941 文献标识码：A 文章编号：1672-9242(2023)09-0124-09 DOI：10.7643/issn.1672-9242.2023.09.014 Parallel Fatigue Test Technology of Multiple Structures in Ultra-high Pressure Deep-sea Environment XIE Xiao-zhong,CHEN Sha-gu,GAO Yuan,HUANG Ru-xu,LI Yan-qing,HU Jia-jun(China Ship Scientific Research Center,Jiangsu Wuxi 214082,China)ABSTRACT:The work aims to conduct fatigue tests of two manned capsules of the whole sea deep manned submersible.The stress state of the spherical shell under the action of pressure difference method and external pressure alone was compared and analyzed by theoretical method,and the feasibility of simulating the working environment of the spherical shell under ultra-high pressure deep sea was verified by the pressure difference method.At the same time,to reduce the damage of the test equipment caused by the external alternating load of the spherical shell and effectively shorten the test duration,a multi-structure parallel fatigue test technology was proposed,which took into account the ultra-high pressure deep-sea environment and adopted the in-ternal and external pressure difference method.Based on this technology,the two-ball series fatigue test with nearly 7 000 cy-cles was carried out,which effectively ensured the development period of the whole sea deep-sea manned submersible.The test results show that this technology is effective and reliable for a long time,and can provide technical basis and application refer-ence for the same type of tests.KEY WORDS:ultrahigh pressure;multiple structure;parallel processing;titanium alloy;spherical shell;fatigue test 第 20 卷 第 9 期 谢晓忠，等：超高压深海环境下多结构并行疲劳试验技术研究 125 材料疲劳是一种结构在循环载荷作用下出现失效的现象1，根据产生裂纹所需的载荷循环次数，将疲劳分为低周疲劳（LCF）和高周疲劳（HCF）。在疲劳性能试验中，除了典型节点模型试样试验外，还包括大型模型和工艺模型的外压疲劳试验，后者比试棒疲劳试验更符合结构实际受力状态2，同时还可以考虑装配约束、焊接残余应力及初始缺陷等加工工艺对水下耐压结构疲劳性能的影响3，因此是考核疲劳性能和结构安全性最有效的手段4-5。载人舱球壳作为全海深载人潜水器最关键的部件6-18，其设计工作深度 H=11 000 m，不仅为驾驶员和科学家提供了深海作业空间，也为非耐压仪器设备提供了常压工作环境19。在潜水器下潜及上浮过程中，载人舱球壳需承受交变海水压力，随着使用次数的增加，可能发生低周疲劳破坏20-21，对结构长期安全性而言是一个巨大考验。在超高压深海环境模拟装置（又称“压力筒”）中，开展静水外压疲劳试验是模拟载人舱球壳潜浮作业受力状态、进行疲劳校核和安全性评估的重要手段，但频繁改变压力筒内压，会带来压力筒的疲劳问题。同时，针对 2 只载人舱球壳缩比模型（5#球壳、6#球壳），若分别进行疲劳试验，将耗费大量人力、物力22。基于上述难题，本文提出一种计及超高压深海环境下采用内外压差法开展的多结构并行疲劳试验技术，并用于指导完成了国内首例超高压双球串联疲劳试验，取得了显著效果。1 内外压差法试验原理及可行性分析 1.1 试验原理 载人舱球壳 5#、6#缩比模型（结构如图 1 所示）疲劳试验在中国船舶科学研究中心水下工程结构试验室的 2016 压力筒内进行。为避免在球壳外压疲劳试验过程中压力筒承受交变内压，对压力筒带来损伤，将压力筒内部保持球壳设计压力P=115 MPa恒定，控制球壳内部压力按 0P0 递增（减），通过改变内 外压差实现疲劳加卸载23，试验原理如图 2 所示。图 1 载人舱球壳结构 Fig.1 Structure chart of capsule shell 图 2 循环载荷实施原理 Fig.2 Principle of cyclic loading 1.2 可行性分析 采用上述保持模型外压不变、内压改变形成压差，以实现疲劳加卸载与直接改变外压的疲劳加卸载方式（如图 3 所示），模型结构应力存在一定差异。图 3 模型球承受载荷情况 Fig.3 Load on the model ball:a)direct external pressure;b)internal and external pressure difference 126 装 备 环 境 工 程 2023 年 9 月 根据拉梅公式24，极坐标下仅承受外压时，球壳的应力解为：3320113332133201133321121rRpRrRRrRpRrRRr (1)式中：1(r)为球壳周向应力；1r(r)为球壳径向应力。同时承受内、外压时球壳的应力解为：333311222123333332121333311222123333332121()1122()11rR pRpRRrRRRRrrR pRpRRrRRRRrr(2)式中：2(r)为球壳周向应力，2r(r)为球壳径向应力。根据压力平衡关系：210ppp (3)应力差异引起的误差为：33123312113312331211121/12/111/11/rrrRRrppRrrRRrppRr21pp (4)由全海深潜水器耐压壳体设计计算规则25（简称“计算规则”）可知，极坐标下仅承受外压时，球壳内、外表面环向应力的解为：12i12o1.5220.522RRpRRp (5)式中：i为球壳内表面环向应力；o为球壳外表面环向应力。仅承受内压时，球壳内、外表面环向应力的解为：12i12o0.521.52RRptRRpt (6)通过对比分析可以发现，在同一种加压方式下，采用拉梅公式、计算规则中公式计算所得的球壳外表面环向应力结果接近。当直接外压法的球壳外部压力与内外压差法的球壳内外压差相等时，压差法计算所得的球壳外表面环向应力结果较直接外压法大，对结构疲劳寿命存在不利影响，对研究结果来说是偏于安全的。这种差异随压差的增大迅速减小，因此试验时忽略内外压差变化对球壳环向应力强度的影响是合理的。表 1 球壳外表面环向应力计算对比 Tab.1 Calculation and comparison of circumferential stresses on outer surface of spherical shell 直接外压法 内外压差法(R2)/MPa(R2)/MPa p0值拉梅公式计算规则 p2p1 拉梅公式计算规则0.1p68.3 67.9 0.1p2 171.8 171.4 0.3p204.8 203.7 0.3p2 285.3 284.2 0.5p341.3 339.6 0.5p2 398.8 397.1 0.7p477.8 475.4 0.7p2 512.3 509.9 0.9p614.3 611.2 0.9p2 625.8 622.7 对于球壳径向应力，由于内外压直接作用于球壳内外壁，通过内外压相等来模拟外压为 0 时的工况，在内壁、外壁上的径向力是不同的。对于直接外压法，球壳内压保持为 0 不变，改变球壳外压（0115 MPa0），当外压为 0 时，径向力沿厚度方向均为 0；当外压为 115 MPa 时，径向力沿厚度方向分布为最小值115 MPa，最大值 0。此时若按“线性分布原则”进行受力分析，受力沿厚度分布如图 4a 所示。对于内外压差法，在球壳外压取 115 MPa 不变的情况下，改变球壳内压（0115MPa0），沿球壳厚度方向的径向力分布有以下特征：当内压为 0 时，径向力沿厚度方向分布为最小值15 MPa，最大值 0；当内压为115 MPa 时，径向力沿厚度方向均为115 MPa，球壳径向力最大值一直保持在 115 MPa 这一水平。从考核结构疲劳寿命角度看，内外压差法径向力的变化特征对结构疲劳寿命存在不利影响，采用该种方法进行加卸载，得到的数据是保守考虑，对研究结果来说是偏于安全的。综述所述，在该模型球壳尺寸参数和试验压力下，采取内外压差来模拟模型外压交变载荷的疲劳试验原理合理可行。2 多结构并行疲劳试验方法及装配方案 2.1 试验方法 载人舱球壳 5#、6#缩比模型疲劳试验分为 7 个阶段，包含半球对接缝残余应力测量、典型位置应变测量、焊缝无损检测、球壳形状测量等研究内容。为保证 2 只球壳试验环境的一致性，对比 2 只球壳疲劳特性的差异，综合考虑试验特点和时间周期。本文拟将 5#、6#球壳串联，同步开展疲劳试验，如图 5 所示。整个试验系统由数据采集系统、疲劳加载系统、压力筒加压系统、载人舱球壳 5#6#缩比模型、试验工装、硬管、压力表、压力传感器、2016 压力筒等组成。第 20 卷 第 9 期 谢晓忠，等：超高压深海环境下多结构并行疲劳试验技术研究 127 图 4 球壳径向力对比 Fig.4 Comparison of radial forces of spherical shells:a)direct external pressure;b)internal and external pressure difference 试验中所有压力、应变数据均由 UCAM 数字式静态数据采集系统采集，并传至计算机进行实时处理。测量系统由电阻应变片、压力传感器、主机系统（应变测量仪和数据处理分析仪）、电缆、附件等组成，测量系统原理如图 6 所示。应变片将所测区域的结构应变转换成电阻变化信号，该电阻变化信号通过电缆传入应变测量仪放大，应变测量仪将应变数据传给数据处理分析仪记录并进行数据处理，实时显示应变、应力值。考虑到压力筒内部的连通管路承受外部高压，选用硬管作为加卸载管路，同时尽量减少连接转接头的使用，以降低渗漏风险。硬管弯折尺寸与工装尺寸及球壳实际固定位置协调，以保证装配成功。压力筒外部连通管路也均采用高压硬管进行连接。疲劳加载系统经由 2016 压力筒下盖与硬管 1 连接，球壳模型各测点的应变片引出导线，经由压力筒上盖的水密接插件与数据采集系统相连。为实时监控球壳内外压力，设置压力表 1 和压力传感器 1 与压力筒内部连接，监测球壳外部压力；压力表 2、压力传感器 2 经由压力筒下盖与球壳连接，监测球壳内部压力。为实现对球壳内部进行加卸压，需在球壳开孔封板上开相应的工艺孔。5#球壳出入舱舱口盖上需开 3个工艺孔，其中一个与硬管 1 连接，一个与监测球壳内部压力的压力表 2 相连，另外一个用硬管与 6#球壳连通。6#球壳出入舱舱口盖上需开 2 个工艺孔，其中一个用硬管与 5#球壳连接，另外一个用于注水时将球壳内部空气排出，待有水溢出后由闷头密封，出入舱舱口盖开孔示意图如图 7 所示。试验工装需具备足够的强度，每层盖板能够承受单个球壳注满水后的重量，上盖板及吊耳能够承受整个工装及 2 个注满水的球壳的总重量。同时，工装尺寸需兼顾球壳尺寸及压力筒内径，以保证能够顺利装配、安全吊装。2.2 装配方案 为保障试验准备工作和安装工作有序进行，规定装配程序如下：1）将硬管 6、硬管 7 通过 2016 压力筒下盖穿舱件穿入筒内，并分别与硬管 1、硬管 5 进行装配，将硬管 1、硬管 5 贴近压力筒内壁，防止吊装试验支架时与其发生碰撞。2）完成应变测点传感器布置后，将球壳与试验工装装配固定，5#球壳与 6#球壳用硬管 3 连接，由5#球壳出入舱口盖剩余通孔向球壳内注水，待 6#球壳出入舱口盖剩余通孔有水溢出时，将该通孔用闷头封闭，将 5#球壳出入舱口封板上的硬管 2、4 安装到位。3）将应变传感器传输导线牢固布置在试验工装上。128 装 备 环 境 工 程 2023 年 9 月 图 5 球壳串联试验示意图 Fig.5 Schematic diagram of spherical shell series test 图 6 数据采集系统结构 Fig.6 Structure of data acquisition system 4）将球壳与试验工装整体吊入压力筒内，拆除试验工装上盖板，将硬管 4 与硬管 5 用转接头连接，由硬管 2 对球壳进行注水，待硬管 7 上端有水溢出，安装压力表 2 和压力传感器 2，然后将硬管 2 与硬管3 用转接头连接，完成管路的全部装配工作，压力筒内部管路装配如图 8 所示。第 20 卷 第 9 期 谢晓忠，等：超高压深海环境下多结构并行疲劳试验技术研究 129 图 7 球壳出入舱舱口盖开孔示意图 Fig.7 Diagram for opening of hatch cover of spherical shell 图 8 压力筒内部管路装配 Fig.8 Piping assembly inside the pressure cylinder 5）对压力筒内部注水，待水位接近压力筒侧壁台阶位置处时，停止注水。6）将应变测量导线由上盖穿舱件穿出压力筒，将压力筒封闭，用压力筒加压系统对压力筒进行注水，待硬管 8 有水溢出，停止注水，安装压力表 1 和压力传感器 1。7）连接数字应变仪及 UCAM 转换箱，调试后待试验。3 试验方法验证 试验开始时，由压力筒加压系统对压力筒进行加压，待球壳外压升至 P，关闭截止阀及压力筒加压系统，启动疲劳加载系统，每一个加卸载循环包括加压段、高压稳压段、卸压段、低压稳压段共 4 个阶段。实际操作过程中，为避免因球壳内压瞬时值大于外 压，导致观察窗固定螺栓受损，设置压差范围为0.5115 MPa。同时，为缩短模型内压低压段降压时间，设置外压保持 118 MPa 恒定不变，模型内部施加3117.5 MPa 的内压，每一循环耗时 7 min 左右，如图 9 所示。图 9 疲劳模型内压加卸载过程 Fig.9 Loading process inside the fatigue model 试验分 7 个试验段进行，每个试验段 1 000 个周期。经过验证，该试验方法和装配方案可靠、易行，能够实现双球结构的串联并行试验，使试验总时长减半，极大减少人力、物力、时间成本。装配过程能够有效避免压力环境中空气的混入，进一步排除空气对加卸载周期带来的不利影响。试验方法可以保证 2 只球壳处于完全相同的压力试验环境，避免试验环境差异对球壳结构疲劳特性的影响。试验方法可以同步反馈 2 只球壳相同位置处的应变状态，实时对比分析其应力水平。降低了对压力筒的损伤，使其服役年限不受影响。试验现场照片如图 10 和图 11 所示。由于焊缝、焊趾附近区域存在较高的峰值应力，易萌生疲劳裂纹，并引起裂纹扩展，从而影响结构的安全性11，故试验过程中在焊缝两侧设置应变测点，用于监测球壳在单次疲劳加卸载周期内该部位的结构应力。主要布片位置包括半球对接焊缝处、出入舱口焊缝处和观察窗焊缝处，测点位置如图 12 所示。在疲劳试验第二阶段前，第三阶段前、后，第五阶段前、后，均在单次疲劳循环中对球壳应变进行测量。根据 Hooke 定律，考虑消除应变片压力的效应26，计算最高压力下的球壳外表面测点应力，见式（7）27。130 装 备 环 境 工 程 2023 年 9 月 图 10 球壳装配吊装 Fig.10 Assembly and hoisting of spherical shell 图 11 疲劳管路装配完毕 Fig.11 Fatigue piping completed 2211xxyyyxEPEP (7)式中：P 为静水外压；为结构应变；为结构应力。历次测量结果汇总见表 2，可以看出，半球对接缝处测点经线方向应力水平略低于纬线方向应力，二者数值接近。出入舱口焊缝和观察窗焊缝处测点经线方向应力水平均高于纬线方向应力。疲劳试验各阶段球壳焊缝区域结构应力基本保持稳定。图 12 球壳应变测点布置 Fig.12 Arrangement of spherical shell strain measuring points 表 2 球壳应力测量结果汇总 Tab.2 Summary of spherical shell stress measurement results MPa 位置 方向 第二阶段前 第三阶段前 第三阶段后 第五阶段前 第五阶段后 经向 620.4 630.0 630.0 635.6 633.3 半球对接焊缝 纬向 626.4 638.1 637.0 641.3 641.9 经向 786.9 815.1 810.8 825.7 839.2 出入舱口焊缝 纬向 698.4 718.6 707.5 699.4 704.6 经向 746.2 739.0 737.2 780.4 776.8 观察窗焊缝 纬向 618.2 603.3 593.2 613.0 602.4 4 结论 本文建立了一种超高压深海环境下采用内外压差法开展多结构并行的疲劳试验技术，并用于指导完成了国内首例超高压双球串联疲劳试验，取得了显著效果。通过前期论证及试验检验得出以下结论：1）采用拉梅公式和计算规则对载人舱缩比球壳结构内外压差法开展疲劳试验的可行性进行分析，在模型球壳尺寸参数和试验压力下，采取内外压差来模拟模型外压交变载荷的疲劳试验原理合理可行。2）提出多结构串联的疲劳试验方法及装配方案，并据此开展了全海深载人潜水器两只载人舱球壳缩比模型的疲劳试验，经过验证，该试验方法和装配方案可靠、易行。试验过程中，测量了球壳典型结构部位的应变，经应力计算得出疲劳试验各阶段球壳焊缝区域结构应力基本保持稳定，进一步验证了试验系统的可靠性。试验方法基本原理清晰，可以为类似试验的设计应用提供参考。第 20 卷 第 9 期 谢晓忠，等：超高压深海环境下多结构并行疲劳试验技术研究 131 参考文献：1 范晓望,崔东凯,于亮,等.低周疲劳试验研究J.工程与试验,2022,62(2):134-136.FAN Xiao-wang,CUI Dong-kai,YU Liang,et al.Ex-perimental Study on Low Cycle FatigueJ.Engineering&Test,2022,62(2):134-136.2 张祖枢.潜水船耐压壳体结构低周疲劳分析与试验J.华中工学院学报,1980,8(S4):69-74.ZHANG Zu-shu.Low Cycle Fatigue Analysis and Test of Pressure Hull Structure of Submersible ShipJ.Journal of Huazhong University of Science and Technology(Natural Science Edition),1980,8(S4):69-74.3 徐秉汉,朱邦俊,欧阳吕伟.现代潜艇结构强度的理论与试验M.北京:国防工业出版社,2007.XU Bing-han,ZHU Bang-jun,OUYANG Lyu-wei.The-ory and Experiments on Modern Submarine Structure StrengthM.Beijing:National Defense Industry 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